高婷娟研究小组ACS Cent. Sci.：偶氮增强拉曼散射

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拉曼散射现象从发现至今已有百年历史。它是无机晶体或有机分子的窄带振动光谱，可从分子层面揭示丰富的结构信息。科学家虽然被拉曼散射的这种魅力吸引，却一直受制于一个问题——拉曼散射截面小、灵敏度低。基于外部环境调控的增强策略（extrinsic enhancing methodology），巧妙而有效的提升了拉曼信号的灵敏度（可达单分子水平），但在实际应用中面临一些挑战。发展基于分子自身结构的拉曼增强新原理、新方法，将提供一种分子内普适性增强模块（intrinsic enhancing unit），进一步解决拉曼散射截面小的核心问题。

偶氮增强拉曼散射

图1. 偶氮增强拉曼散射的原理示意图。

        近期，华中师范大学高婷娟教授研究小组，在ACS Central Science上报道了一种分子内拉曼增强新方法——偶氮增强拉曼散射(Azo-enhanced Raman Scattering, AERS)。ACS Central Science将该项工作选为First Reactions，邀请相关领域专家发表评论，评论称作者“揭示了一种独特的针对分子振动的偶氮增强拉曼效应”。
这项研究通过共轭连接偶氮苯与振动基团，增加电子能级与振动能级的耦合程度，红移分子吸收峰至可见区，实现共振拉曼效应，大幅提高拉曼散射强度。同时，偶氮苯顺反异构化导致非辐射能量释放，抑制荧光背景，进一步提高拉曼散射的信噪比。基于这种新原理，作者合成了苯环取代的多炔、多烯与硝基苯、偶氮苯、苯乙腈、苯乙炔等一系列AERS分子，其中心基团的振动模式分别为n (CoC), n (C=C)，n (O‒N=O), n (CPh‒N), n (CoN)和n (CoCH)。实验结果显示，偶氮增强拉曼散射具有普适性：对于各类中心基团的化学键振动，偶氮苯作为增强模块，可以提高拉曼特征峰信号2~3个数量级。此外，由于中心基团的振动模式决定了拉曼特征峰频率（涵盖指纹区与基频区1000-2500 cm-1），选择不同AERS分子进行组合式拉曼标记，可以提供多色检测或多色成像功能。

偶氮增强拉曼散射

图2. Hela细胞的AERS多色成像。

       该工作采用细胞高灵敏拉曼多色成像的实例，演示了AERS的应用场景。以细胞线粒体靶向探针为例，作者筛选了大量AERS分子，得到了线粒体的六色AERS探针。它们具有良好的水酯两亲性、细胞穿透性、光稳定性与较低的细胞毒性。探针靶向线粒体后，作者使用常规拉曼共聚焦显微镜，mapping后得到清晰的细胞AERS成像，成像质量与荧光成像相当。这是截至目前为止最高质量的基于小分子拉曼探针的自发拉曼散射细胞成像。此外，AERS多色标记的混合细胞解码实验，进一步拓展了应用场景：作者结合拉曼光谱的指纹信息读取，可以准确识别混合细胞中每个细胞对应的特征ID。由于AERS多色成像与多色编码可用于多个对象的同时观测，这项技术将为深入研究复杂体系各介质间的相互作用，提供新颖、有效的研究工具。

偶氮增强拉曼散射

图3. 混合AERS编码细胞的多色成像。

        参考文献：
        Yuchen Tang,* Yongpeng Zhuang, Shaohua Zhang, Zachary J. Smith, Yuee Li, Xijiao Mu, Mengna Li, Caili He, Xingxing Zheng, Fangfang Pan, Tingjuan Gao,* Lizhi Zhang, Azo-enhanced Raman Scattering for Enhancing the Sensitivity and Tuning the Frequency of Molecular Vibrations. ACS Central Science, 2021, DOI: 10.1021/acscentsci.1c00117.
        链接：http://https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.1c00117
Shangfeng Wang, Fan Zhang,* Azo Pigments Make Raman Spectral Multiplexing More Sensitive. ACS Central Science, 2021, DOI: 10.1021/acscentsci.1c00527.
        链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.1c00527


       文章来源：华中师范大学
       高婷娟，华中师范大学教授。1980年出生于湖北武汉，1998年至2002年在北京大学化学与分子工程学院进行本科学习（导师赵新生教授），毕业后进入美国罗切斯特大学化学系攻读博士学位，师从Lewis Rothberg教授。本科和研究生学习期间，研究方向为生物分子识别。博士研究阶段发明了两种硅基表面免标记反射干涉阵列成像的方法，并相应搭建了两套生物分子识别光学系统。2008年获得博士学位后，进入美国加州大学戴维斯分校生物光子学中心Thomas Huser教授课题组，参与多项科研基金的申请与实施。期间发明了一种表征纳米脂蛋白包裹G蛋白偶联受体的新方法，用单分子荧光关联谱解析其在溶液中的动态结构以及与配体结合的热力学过程；还与合作者一起使用高分辨荧光显微镜表征抗癌药物经纳米材料递送后在癌细胞中的成像。2011年，高婷娟留校作为生物化学与分子医学系的项目科学家，继续在生物光子学中心，开展便携式血细胞计数的研究工作。其团队用商业显微镜证明了“大视野血细胞显微成像计数”这一理念，同时发明了单一荧光探针手动制备微量血样和对红细胞、血小板和白细胞成像及分析的方法；并搭建了一套“大视野血细胞显微成像光学系统”，在此系统上试验了人血和多种动物血液的临床计数检测。高婷娟在免标记生物分子识别、纳米脂蛋白的荧光光谱和显微镜表征、血细胞大视野成像计数三个方向，做出了国际上具有创新性和系统性的研究工作。